JP2010287859A - 貫通電極を有する半導体チップ及びそれを用いた半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】寄生容量やノイズの影響を受けにくく、安定した信号が得られる貫通電極を有する半導体チップ及び半導体装置の提供。
【解決手段】半導体チップの半導体基板の貫通電極として、少なくとも一つの信号用の第1の貫通電極(2)の周囲を囲んで、固定電位を有する第2の貫通電極(5)を複数配置した。また半導体装置は、上記構成の第1の半導体チップ(100)と、第1の半導体チップ(100)を電気的に接続した外部端子(13)を有する基板(10)と、少なくとも第1の半導体チップ(100)を覆う封止体(15/16)と、からなる。
【選択図】図1

Description

本発明は、貫通電極を有する半導体チップ及びそれを用いた半導体装置に関する。
近年、半導体装置の小型・大容量化により、配線基板上に、貫通電極を有する複数の半導体チップを積層搭載すると共に、それぞれの半導体チップの貫通電極を電気的に接続したCoC(Chip On Chip)型の半導体装置が検討されている。CoC型の半導体装置としては、例えば特許文献1(特開2007−214220号)が挙げられる。
また配線基板においては、信号ビアの周囲に、絶縁層を介して、GND電位の導体層を配して、シールドする技術がある。このようなシールド技術としては、例えば特許文献2(特開2001−291799号)が挙げられる。
特開2007−214220号公報 特開2001−291799号公報
特許文献1に開示のCoC型の半導体装置では、特定の信号の貫通電極、例えばメモリチップにおいてはデータバス接点等が、寄生容量やノイズの影響を受け易く、信号が不安定になる恐れがある。
また特許文献2に開示の上記シールド技術を、半導体チップの貫通電極に適用しようとした場合には、寄生容量増となり、特性インピーダンスが低下する恐れがある。またSi基板の開口に多重の導体層を形成する為、製造プロセスの増加やプロセスの複雑化を招く。
さらに信号用の貫通電極の周囲に、絶縁層、GND用導体層、絶縁層が必要となる為、Si基板への開口が大型化してしまう。Si基板の開口が大型化することで、FC接続時や機械的な衝撃を受けた時に、大型化した開口が基点となりチップクラックを発生する恐れがある。
また特定の信号用の貫通電極のみ、大型の開口を形成し、多重の導体層を形成するのはプロセスが難しく、全ての貫通電極を多重の導体層を形成すると、貫通電極のサイズが大きくなり、チップサイズの大型化につながる恐れもある。
第1の視点において、本発明に係る半導体チップは、半導体基板に貫通電極を有する半導体チップであって、少なくとも一つの信号用の第1の貫通電極の周囲を囲んで、固定電位を有する第2の貫通電極を複数配置したことを特徴とする。
第2の視点において、本発明に係る半導体装置は、半導体基板に、複数の信号用の第1の貫通電極と、該第1の貫通電極の少なくとも一つの周囲を囲んで配置される固定電位を有する複数の第2の貫通電極とを含む第1の半導体チップと、該第1の半導体チップを電気的に接続した外部端子を有する基板と、少なくとも該第1の半導体チップを覆う封止体と、からなることを特徴とする。
第1の視点に係る半導体チップにより、複数の第2の貫通電極が半導体基板を介して電磁結合され、第1の貫通電極の周囲にシールドを形成することができ、寄生容量やノイズの影響を低減し、第1の貫通電極の信号を安定化できる。
また、第2の視点に係る半導体装置により、積層搭載された第1の半導体チップと基板との間で、第1の貫通電極の周囲に連続的なシールドを形成することができ、寄生容量やノイズの影響を低減し、第1の貫通電極の信号を安定化した小型・大容量の半導体装置が得られる。
本発明に係る半導体チップの一実施例を示す概略平面図である。 図1のA−A断面図である。 本発明に係る半導体装置の一実施例を示す概略断面図である。 本発明の一実施例に係る貫通電極の製造工程を示す概略断面図である。 本発明の一実施例に係る半導体装置の製造工程を示す概略断面図である。 本発明に係る半導体チップの他の実施例を示す概略平面図である。 本発明に係る半導体チップの他の実施例を示す概略平面図である。 本発明に係る半導体チップの他の実施例を示す概略平面図である。 本発明に係る半導体チップの他の実施例を示す概略平面図である。 本発明に係る半導体装置の他の実施例を示す概略平面図である。
本発明に係る第1の視点において、第1の貫通電極と第2の貫通電極との間の距離が、該第1の貫通電極の配置ピッチより小さいことが好ましい。また、第1の貫通電極及び第2の貫通電極の周囲はそれぞれ絶縁膜で絶縁されている。また、第1の貫通電極の径よりも第2の貫通電極の径が大きくてもよい。
本発明に係る第2の視点において、各第1と第2の貫通電極は上記と同様の特徴を持つことができる。また、第1の半導体チップを複数有し、該複数の第1の半導体チップを基板上に積層搭載することができる。また、基板は半導体基板(第2の半導体チップ)又は配線基板であることが好ましい。
(実施例1)
図1は、本発明の実施例1のCoC型の半導体装置に用いる半導体チップの概略構成を示す平面図であり、図2はそのA−A断面図である。
半導体チップ100は、略四角形のSi等からなる板状の半導体基板(以下Si基板と表記する)1の一面に所定の回路領域9、例えばメモリ回路が形成されている。半導体チップ100は、例えば50μm厚で構成されており、略中央領域に長辺方向に沿って、複数の貫通電極(TSV)が配置されている。貫通電極は、Si基板1の一面側と他面側に配置した複数のバンプ電極と、それらを電気的に接続する貫通配線に構成されている。そして貫通配線の周囲には絶縁膜8、例えば窒化膜或いはSiO膜が配置されている。そして複数の貫通電極の形成された領域の周辺には、所定の回路領域9、例えばメモリ回路が形成されている。
また複数の貫通電極は、所定の間隔で、ほぼ1列に配置されており、特定の信号用の貫通電極2(第1の貫通電極2)、例えばデータバス接点等、寄生容量やノイズの影響を受け易い貫通電極の周囲に、GND等の固定電位の貫通電極5(第2の貫通電極5)を、複数配置するように構成されている。実施例1においては、特定信号用の第1の貫通電極2の周囲、十字方向に、4つのGND用の第2の貫通電極5を配置している。
第1の貫通電極2は、貫通配線4とその両端部のバンプ電極3とからなり、第2の貫通電極5は、貫通配線7とその両端部のバンプ電極6とからなる。両貫通配線4、7の周囲には絶縁膜8が配設されている。
このように、少なくとも一つの信号用の第1の貫通電極2の周囲近傍に第1の貫通電極2を囲むように、固定電位を有する第2の貫通電極5を複数配置するように構成したことで、複数の第2の貫通電極5がSi基板1を介して電磁結合され、第1の貫通電極2の周囲にシールドを形成することができ、寄生容量やノイズの影響を低減し、第1の貫通電極2の信号を安定化できる。また第1の貫通電極2をシールドできることで、インピーダンスを制御することも期待できる。
また貫通電極2、5は例えば20μm程度の大きさで構成され、それぞれの貫通電極2と5は少なくとも50μm程度、離間するように配置されている。貫通電極2と5を50μm程度、離間するように配置することで、貫通電極を基点としたチップクラックの発生を抑え、第1の貫通電極2の周囲近傍に第2の貫通電極5を配置できる。またこの間隔は、第1の貫通電極2の配置ピッチよりも小さい。こうすることにより効果的に寄生容量やノイズの影響を低減することができる。
(実施例2)
図3は、実施例1の半導体チップ100を積層搭載したCoC型の半導体装置200の概略構成を示す断面図である。
半導体装置200は、略四角形の板状で、所定の配線パターンの形成された配線基板10を有している。配線基板10は、例えば0.2mm厚で、ガラスエポキシ基材の両面に所定の配線が形成され、配線は部分的に絶縁膜、例えばソルダーレジスト膜(図示せず)で覆われるように構成されている。
配線基板10の一面(図3では上面)のソルダーレジスト膜から露出された部位には、複数の接続パッド(第1の導体部)12が形成されており、他面(図3では下面)側のソルダーレジスト膜から露出された部位には、複数のランド(外部端子)(第2の導体部)13が形成されており、接続パッド12と対応するランド13とは配線14によりそれぞれ電気的に接続されている。また複数のランド13は、配線基板10上に所定の間隔、例えば0.8mm間隔で格子状に配置されている。
配線基板10の一面には、複数の半導体チップ、例えばメモリチップ100と、該メモリチップ100と配線基板10とをインターフェースするIFチップ150が搭載されており、半導体チップ100の第1の貫通電極2(信号用TSV)、第2の貫通電極5(GND用TSV)と、IFチップ150の電極とは電気的に接続されている。メモリチップ100は、IFチップ150を介して、配線基板10の接続パッド12さらには外部端子13に電気的に接続されている。また本実施例ではIFチップ150上に搭載したメモリチップ100は同じ機能、例えば同じメモリ回路の半導体チップ100を積層搭載するように構成しており、それぞれの半導体チップ100の対応する貫通電極間は電気的に接続されている。
また配線基板10とIFチップ150との間及び半導体チップ間には、第1の封止樹脂層(封止体)15が形成されている。第1の封止樹脂層15は、例えばアンダーフィル材が用いられており、チップ積層体の隙間及び側方へ略台形状に形成されている。半導体チップ間に第1の封止樹脂層15を形成したことで、チップ積層体間へのボイドの発生を低減できる。
さらに配線基板10の一面上には、チップ積層体を覆うように第2の封止樹脂層(封止体)16が形成されている。第2の封止樹脂層16は例えば熱硬化性のエポキシ系樹脂が用いられる。
また配線基板10の他面の複数のランド13には、半田等からなる金属ボール17がそれぞれ搭載されている。
このように、複数の信号用の第1の貫通電極2と、第1の貫通電極2の少なくとも一つの周囲近傍に配置され、固定電位を有する複数の第2の貫通電極5からなる半導体チップ100と、半導体チップ100を、IFチップを介して電気的に接続し、一面に搭載した配線基板10と、配線基板10の他面に形成され、半導体チップの貫通電極と電気的に接続された複数の外部端子(ランド)13と、配線基板10の一面に形成され、少なくとも半導体チップを覆う封止体(第1の封止樹脂層15及び/又は第2の封止樹脂層16)とから半導体装置200を構成したことで、複数の積層搭載された半導体チップ100間で、第1の貫通電極2の周囲に連続的なシールドを形成することができ、寄生容量やノイズの影響を低減し、第1の貫通電極2の信号を安定化した小型・大容量の半導体装置200が得られる。
(製造方法)
図4は、半導体チップ100の貫通電極の形成フローを示す断面図である。まず円盤状のSi基板からなり所定の回路が形成されたチップ形成領域を有する半導体ウエハ20が準備される。そして半導体ウエハ20のそれぞれのチップ形成領域の一面(図4では上面)側に、エッチング処理により、図4(a)に示すように複数の凹部21を形成する。
次にそれぞれのチップ形成領域に形成した複数の凹部21に図4(b)に示すように絶縁膜22を形成する。この絶縁膜22は、例えばSiO膜がCVD(Chemical Vapor Deposition)法等により形成される。
次に図4(c)に示すように、凹部21内に導電材料、例えばCuを埋め込むことで、導体層23が形成される。
次に図4(d)に示すように、半導体ウエハ20の一面側の導体層の上に、それぞれバンプ電極(表面側)3、6が形成される。
一面側のバンプ電極3、6の形成後、半導体ウエハ20の他面(図4では下面)側をバックグラインド処理し、導体層23が露出するまで研削する。これにより、図4(e)に示すようにSi基板を貫通する貫通配線が形成される。
次に図4(f)に示すように、半導体ウエハの他面側に露出した導体層23の上に、それぞれバンプ電極(裏面側)3、6を形成する。
他面側のバンプ電極3、6の形成後、半導体ウエハ20をそれぞれのチップ形成領域毎にダイシングすることで、図4(g)に示すような複数の貫通電極を有する半導体チップ100が得られる。
半導体チップの複数の貫通電極は、前述したように所定の間隔で、ほぼ1列に配置されており、特定の信号用の貫通電極(第1の貫通電極)、例えばデータバス接点等、寄生容量やノイズの影響を受け易い貫通電極の周囲に、GND等の固定電位の貫通電極(第2の貫通電極)を、複数配置するように構成されている。実施例1においては、特定信号用の貫通電極の周囲、十字方向に、4つのGND用の貫通電極(第2の貫通電極)を配置している。
さらにSi基板に形成する開口の大きさを一定として貫通電極を形成することで、プロセスの複雑化を抑制できる。
図5は、実施例1の半導体チップ100を用いた実施例2の半導体装置200の組立フローを示す断面図である。以下、半導体装置200の製造方法について説明する。
配線基板10は、例えば0.2mm厚のガラスエポキシ配線基板であり、マトリックス状に配置された複数の製品形成部を有している。配線基板10の複数の製品形成部には、それぞれ所定の配線パターンが形成され、配線は部分的に絶縁膜、例えばソルダーレジスト(図示せず)で覆われている。また製品形成部間はダイシングラインとなる。
製品形成部の一面側の配線のソルダーレジストから露出された部位には、複数の接続パッド12が形成されている。また製品形成部の他面の配線のソルダーレジストから露出された部位には、複数のランド13が形成されている。そして接続パッド12とこれに対応するランド13とは配線基板10の配線(図示せず)によりそれぞれ電気的に接続されている。このような配線基板10を図5(a)に示す。
次に配線基板10の製品形成部にIFチップと前述した貫通電極を有する半導体チップ100を図5(b)に示すようにフリップチップ実装する。
フリップチップ実装は、例えばフリップチップボンダーのボンディングツール31により、第1の半導体チップ(IFチップ)150の他面側を吸着保持し、ボンディングツール31の加熱機構により、第1の半導体チップ150を所定温度まで加熱する。その後、第1の半導体チップ150のバンプ電極を、配線基板10の対応する接続パッド12上に、所定温度、例えば300℃程度で熱圧着することでフリップチップ実装する。
その後、同様に第1の半導体チップ150上に、第2の半導体チップ(メモリチップ)100をフリップチップ実装することで、第1の半導体チップ150の他面側のバンプ電極3、6と、第2の半導体チップ100の表面側のバンプ電極3、6が電気的に接続される。さらに同様に、第2の半導体チップ100上に、第3の半導体チップ(メモリチップ)100をフリップチップ実装し、第2の半導体チップ100の他面側のバンプ電極と、第3の半導体チップの表面側のバンプ電極が電気的に接続される。
次に図5(c)に示すように、配線基板10上に搭載されたチップ積層体の端部近傍位置に、塗布装置のディスペンサー32により、アンダーフィル材を供給する。供給されたアンダーフィル材は、毛細管現象により配線基板10と半導体チップ150の隙間及び積層された半導体チップ間の隙間に充填される。
チップ積層体へのアンダーフィル材の充填が完了した後、所定温度、例えば150℃程度でキュアすることで、アンダーフィル材が硬化され、配線基板10と半導体チップ150の隙間及び積層された半導体チップ間の隙間に第1の封止樹脂層(アンダーフィル材の層)15が形成される。
次にチップ積層体が搭載された配線基板10は、モールド工程に移行される。モールド工程では、配線基板10は、図示しないトランスファモールド装置の上型と下型からなる成型金型にセットされる。成型金型の上型には複数のチップ搭載部を一括的に覆うようにキャビティが形成されており、キャビティ内に配線基板10上のチップ積層体が配置される。
そしてゲート部からキャビティ内に加熱溶融された封止樹脂を注入し、配線基板のチップ積層体の搭載面側を封止する。封止樹脂は、例えばエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂が用いられる。
そして配線基板の一面側のキャビティが封止樹脂で充填された状態で、所定の温度、例えば180℃程度でキュアすることで、封止樹脂が熱硬化され、図5(d)に示すように配線基板10の複数の製品形成部を一括的に覆う第2の封止樹脂層16が形成される。その後、第2の封止樹脂層16を形成した配線基板10は所定の温度でベークすることで、封止樹脂16が完全に硬化される。
また配線基板10に搭載されたチップ積層体のチップ間を第1の封止樹脂層(アンダーフィル材)15を充填した後、配線基板10上を一括的に覆う第2の封止樹脂層16を形成したことで、モールド時のチップ間へのボイドの発生を低減できる。
次に第2の封止樹脂層16の形成された配線基板10は、ボールマウント工程に移行され、図5(e)に示すように配線基板10の他面に形成されたランド13に、導電性の金属ボール、例えば半田ボール17を搭載する。
ボールマウント工程では、配線基板上に配置された複数のランドに合せて、複数の吸着孔が形成されたボールマウンターのマウントツール33を用いて、半田等からなる金属ボールをマウントツール33で吸着保持し、吸着保持された半田ボール17にフラックスを転写形成し、配線基板10上の複数のランド13に一括搭載する。そして全ての製品形成部への半田ボール17の搭載後、配線基板10をリフローすることで外部端子が形成される。
次に半田ボール17の搭載された配線基板10は基板ダイシング工程に移行され、図5(f)に示すように、配線基板10を切断し、個々の製品形成部毎に分離する。
基板ダイシング工程では、配線基板10の第2の封止樹脂層16をダイシングテープ34に貼着し、ダイシングテープ34によって配線基板10を支持する。その後、ダイシング装置のダイシングブレード35により縦横に切断して、製品形成部毎に分離する。そして配線基板10の切断分離後、ダイシングテープ34からピックアップすることで、前述したように寄生容量やノイズの影響を低減し、貫通電極の信号を安定化できる小型・大容量の半導体装置200が効率良く製造できる。
(実施例3〜5)
図6は、半導体チップの貫通電極の配置の実施例3〜5である半導体チップ300〜500を示す平面図である。図6(a)〜(c)に示すように、第2の貫通電極5は、信号用の第1の貫通電極2の周囲近傍で、電磁結合するように配置していれば、第1の貫通電極2の周囲に配置される第2の貫通電極5の配置数や配置はどのように構成しても良い。
(実施例6)
図7は、実施例6である半導体チップ600を示す平面図である。図7に示すように、貫通電極を等ピッチで配置し、影響を受け易い信号用の第1の貫通電極2の周囲に位置する貫通電極を、GND用の第2の貫通電極5とするように構成しても良い。貫通電極を多列の等ピッチで配置したことで、チップ実装を安定化することも可能となる。
(実施例7)
図8は、実施例7である半導体チップ700を示す平面図である。図8に示すように、半導体チップ700の周辺領域に、NC(Non Connect)用の貫通電極(第3の貫通電極)40を配置するように構成しても良い。半導体チップ700の周辺領域に、NC用の貫通電極40を配置したことで、フリップチップ実装時の接続が安定化できる。
(実施例8)
図9は、実施例8である半導体チップ800を示す平面図である。図9に示すように、第1の貫通電極2の周囲に配置される第2の貫通電極5の径を、第1の貫通電極2の径より大きく構成することで、より良好にシールドできる。
(実施例9)
図10は、半導体チップを搭載した半導体装置900を示す断面図である。図10に示すように、実施例1と同様に構成された貫通電極を有する第1の半導体チップ、例えばメモリチップ50が複数積層配置されている。本実施例では積層されたメモリチップ50の第1の貫通電極2は、メモリチップ50と異なる機能或いは大きさ異なる第2の半導体チップ、例えばロジックチップ60に形成された導体層である電極パッド62に電気的に接続されるように構成されている。また、配線基板10とロジックチップ60とはワイヤ61で接続されている。
第1の貫通電極2の周辺近傍に複数の第2の貫通電極5を配置するように構成した第1の半導体チップ(メモリチップ)50を、異なる構成の第2の半導体チップ(ロジックチップ)60等、他の電子部品の導体層(電極パッド62)に電気的に接続することで、配線基板10に搭載するように構成しても、同様にシールド効果が得られる。さらには異なる機能の第2の半導体チップ(ロジックチップ)60を搭載したことで、半導体装置の高機能化も図ることができる。
実施例9では、複数のメモリチップを、貫通電極により積層した場合について説明したが、貫通電極により電気的に接続されたチップ積層体であれば、メモリチップとロジックチップの組み合わせ等、どのような機能のチップの組み合わせ、或いはサイズの異なるチップの組合せでも良い。
また実施例9では、2つのメモリチップを積層した場合について説明したが、貫通電極により電気的に接続された2段以上のチップ積層体であれば、積層数は何段でも良い。またBGAタイプの半導体装置について説明したが、LGA(Land Grid Array)等、他のパッケージ構造に適用しても良い。
以上、本発明を上記実施例に即して説明したが、本発明は上記実施例の構成にのみ制限されるものではなく、本発明の範囲内で当業者であればなしうるであろう各種変形、修正を含むことはもちろんである。なお、半導体基板としてはSi基板を例示したが、各種の半導体基板であればよく、Si基板に限定されるものではない。
1 半導体基板
2 第1の貫通電極(信号用TSV)
3 第1の貫通電極のバンプ電極
4 第1の貫通電極の貫通配線
5 第2の貫通電極(GND用TSV)
6 第2の貫通電極のバンプ電極
7 第2の貫通電極の貫通配線
8 絶縁膜
9 回路領域
10 配線基板
11 絶縁基材
12 接続パッド(第1の導体部)
13 ランド(外部端子)(第2の導体部)
14 配線
15 第1の封止樹脂層(封止体)
16 第2の封止樹脂層(封止体)
17 半田ボール
20 半導体ウエハ
21 凹部
22 絶縁膜
23 導体層
31 ボンディングツール
32 ディスペンサー
33 ボールマウントツール
34 ダイシングテープ
35 ダイシングブレード
40 第3の貫通電極(NC用TSV)
50 メモリチップ
60 ロジックチップ
61 ワイヤ
62 電極パッド
150 IFチップ
100、300〜800 半導体チップ
200、900 半導体装置

Claims (10)

  1. 半導体基板に貫通電極を有する半導体チップであって、少なくとも一つの信号用の第1の貫通電極の周囲を囲んで、固定電位を有する第2の貫通電極を複数配置したことを特徴とする、半導体チップ。
  2. 前記第1の貫通電極と前記第2の貫通電極との間の距離が、該第1の貫通電極の配置ピッチより小さいことを特徴とする、請求項1に記載の半導体チップ。
  3. 前記第1の貫通電極及び前記第2の貫通電極の周囲がそれぞれ絶縁膜で絶縁されていることを特徴とする、請求項1又は2に記載の半導体チップ。
  4. 前記第1の貫通電極の径よりも前記第2の貫通電極の径が大きいことを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一に記載の半導体チップ。
  5. 半導体基板に、複数の信号用の第1の貫通電極と、該第1の貫通電極の少なくとも一つの周囲を囲んで配置される固定電位を有する複数の第2の貫通電極とを含む第1の半導体チップと、
    該第1の半導体チップを電気的に接続した外部端子を有する基板と、
    少なくとも該第1の半導体チップを覆う封止体と、からなる半導体装置。
  6. 前記第1の貫通電極と前記第2の貫通電極との間の距離が、該第1の貫通電極の配置ピッチより小さいことを特徴とする、請求項5に記載の半導体装置。
  7. 前記第1の貫通電極及び前記第2の貫通電極の周囲が絶縁膜で絶縁されていることを特徴とする、請求項5又は6に記載の半導体装置。
  8. 前記第1の貫通電極の径よりも前記第2の貫通電極の径が大きいことを特徴とする、請求項5〜7のいずれか一に記載の半導体装置。
  9. 前記第1の半導体チップを複数有し、該複数の第1の半導体チップが前記基板上に積層搭載されることを特徴とする、請求項5〜8のいずれか一に記載の半導体装置。
  10. 前記基板は半導体基板(第2の半導体チップ)又は配線基板であることを特徴とする、請求項5〜9のいずれか一に記載の半導体装置。
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